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FEM-Simulation einer gedruckten Stangendichtung
1. Step: Einpressvorgang einer gedruckten Stangendichtung
Die Nutgröße wird zunächst als "zu groß" modelliert. In einem zeitabhängigen Berechnungsschritt werden Stangen - und Nutdurchmesser geometrisch korrigiert. Durch Einführung von Kontaktbedingungen wird die Dichtung zusammengepresst. Da es während des Zusammenpressens zu starken Netzverformungen kommt, müssen während der Berechnung divere Remeshing-Steps durchgeführt werden.
2. Step: Erhöhung der Stangengeschwindigkeit
Zu sehen ist eine vergrößerte Ansicht der linken Dichtlippe. Die am linken Bildrand dargestellte Stange bewegt sich nach oben und die Geschwindigkeit wird schrittweise erhöht. Durch die Erhöhung der Stangengeschwindigkeit wird das Fluid in den Dichtspalt gedrückt. Infolge dessen steigt der Fluiddruck und die Dichtung wird durch die Fluid-Struktur-Interaktion verformt.
schwarz: Fluidkraft infolge der Stangenbewegung
Durch die Erhöhung der Stangengeschwindigkeit steigt der Fluiddruck (schwarz) stetig an. Bei ca. 1,7 m/s ist die Kontaktkraft (rot) null und die gesamte Kraft wird durch das Fluid getragen. Es handelt sich hierbei nicht um ein Kräftegleichgewicht, da nach Elimierung der Kontaktkraft die Fluidkraft weiter ansteigt.
Dynamische Stangendichtungen (DFG Einzelförderung)
Dynamische 2-Komponenten-Dichtungen aus additiver Fertigung: DFG Einzelförderung 2021-2024
Auf Offshore-Plattformen oder anderen, abgelegenen, Orten schnell Ersatzdichtungen mit dem 3D-Drucker herstellen, z.B. für Windkraftanlagen: dies soll durch ein Projekt ermöglicht werden, dass die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert. Ziel des Vorhabens ist es, in nur einem Fertigungsschritt die Produktion zweier Kunststoffteile und ihre Kombination zu einer einsatztauglichen Dichtung zu vereinen.
Projektpartner des Labors für Maschinendynamik sind das Labor für additive Fertigung der Hochschule Emden/Leer und das Deutsche Institut für Kautschutechnologie e.V.
Konkret geht es um die Entwicklung und Herstellung dynamischer Stangendichtungen aus zwei Komponenten aus einem Elastomer und einem Thermoplasten. Aktuell werden solche Bauteile so verwendet, dass beide Komponenten zunächst separat gefertigt, zum abgelegenen Einsatzort transportiert und dort gemeinsam montiert werden. Dies verlangt jedoch eine umfassende Ersatzteilverfügbarkeit vor Ort. Das Team der Hochschule möchte dies ändern und ein Verfahren entwickeln, in dem beide Bauteile zugleich und direkt am Anwendungsort mit additiver Fertigung („3D-Druck“) hergestellt werden. Für die Entwicklung solcher Produkte sind zuvor jedoch komplexe Simulationen erforderlich, die am Labor für Maschinendynamik durchgeführt werden. Entscheidend für die Funktion der Dichtung ist der Schmierfilm, der sich zwischen Dichtung und Stange ausbildet und nur wenige Mikrometer dick ist. Er wird im Labor für Maschinendynamik mittels Elastohydrodynamischer (EHD) Simulation berechnet. Hierzu wird das nichtlineare elastische Verhalten der Dichtung einerseits und das Strömungsverhalten des flüssigen Schmierfilms (Reynoldsgleichung) andererseits modelliert. Diese Modelle werden zu einer Gesamtsimulation miteinander gekoppelt um die exakte Filmhöhe, die Druckverteilung und die Dichtwirkung zu berechnen. Die entstehende Finite-Elemente-Simulation wird in Comsol aufgebaut auf einer leistungsfähigen Workstation mittels GPU-Computing durchgeführt. Sie erlaubt es, Optimierungsrechnungen durchzuführen, um z.B. besonders geeignete Geometrien zu finden, die mit konventionellen Fertigungstechniken nicht möglich sind, sehr wohl jedoch mit additiver Fertigung.
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